DE60029538T2 - Method for producing a helical antenna of four conductors and antenna produced by this method - Google Patents
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Description
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Antenne, hauptsächlich auf ein Verfahren zur Abstimmung einer Wendelantenne aus vier Leiten für zirkular polarisierte Strahlung bei Frequenzen über 200 MHz. Die Erfindung umfasst auch eine nach dem Verfahren hergestellte Antenne.These The invention relates to a method for producing an antenna, mainly to a method of tuning a four-wire helical antenna for circular polarized radiation at frequencies above 200 MHz. The invention also includes an antenna made by the method.
Die Vierdraht-Backfireantenne ist wohlbekannt und wird insbesondere beim Senden und Empfangen von zirkular polarisierten Signalen zu oder von umlaufenden Satelliten angewendet. Die GB-2292638-A offenbart eine Miniatur-Vierdrahtantenne mit vier schraubenförmigen Antennenelementen von halber Wellenlänge in Form von schmalen, auf die Oberfläche eines zylindrischen Keramikkerns plattierten leitfähigen Streifen. Radiale Verbindungselemente an der distalen Stirnfläche des Kerns verbinden die schraubenförmigen Elemente mit einer koaxialen Speiseleitung, die in einem schmalen Durchlass axial durch den Kern verläuft. Die schraubenförmigen Elemente sind paarweise angeordnet, wobei die Elemente eines Paars eine größere elektrische Länge als die des anderen Paars haben, indem sie einem mäandernden Verlauf folgen und alle vier Elemente mit dem Rand einer leitfähigen Balunhülse verbunden sind, der einen in einer Ebene senkrecht zur Antennenachse liegenden Kreis beschreibt. Die GB-2310543-A offenbart eine alternative Antenne, bei der die Balunhülse einen nichtplanaren Rand hat, die schraubenförmigen Elemente einfache Schrauben sind, die in Gipfeln bzw. Tälern des Randes enden, damit sich Elemente von unterschiedlicher Länge ergeben.The Four-wire backfire antenna is well known and is becoming particular when transmitting and receiving circularly polarized signals or applied by orbiting satellites. GB 2292638-A discloses a miniature four-wire antenna with four helical antenna elements of half wavelength in the form of narrow, clad on the surface of a cylindrical ceramic core conductive Strips. Radial connecting elements on the distal end face of the Kerns connect the helical Elements with a coaxial feed line, in a narrow passage axially through the core. The helical ones Elements are arranged in pairs, with the elements of a pair a larger electrical Length as those of the other pair have, following a meandering course and all four elements connected to the edge of a conductive balun sleeve are one lying in a plane perpendicular to the antenna axis Circle describes. GB-2310543-A discloses an alternative antenna at the balun pod has a non-planar edge, the helical elements simple screws are in peaks or valleys of the border, so that elements of different lengths result.
Die Tatsache, dass die Elementpaare unterschiedliche elektrische Längen haben, führt zu einer Phasendifferenz zwischen den Strömen in den entsprechenden Paaren bei der Betriebsfrequenz der Antenne, und diese Phasendifferenz macht die Antenne empfindlich für zirkular polarisierte Strahlung mit einer Kardioid-Richtcharakteristik, so dass die Antenne zum Empfang von zirkular polarisierten Signalen aus Quellen direkt über der Antenne, d. h. in der Antennenachse, oder in Positionen wenige Grad über einer senkrecht zur Antennenachse ausgerichteten und diese durchsetzenden Ebene oder aus Quellen irgendwo im Raumwinkel zwischen diesen Extremen geeignet ist. Die Richtcharakteristik ist auch durch eine axiale Nullstelle in der Gegenrichtung zur Richtung maximalen Gewinns gekennzeichnet.The Fact that the element pairs have different electrical lengths, leads to a phase difference between the currents in the respective pairs at the operating frequency of the antenna, and this phase difference makes the antenna sensitive to circularly polarized radiation having a cardioid directional characteristic, allowing the antenna to receive circularly polarized signals from sources directly above the antenna, d. H. in the antenna axis, or in few positions Degrees above a perpendicular to the antenna axis aligned and this interspersed Plane or from sources somewhere in the solid angle between these extremes suitable is. The directional characteristic is also due to an axial Zero point marked in the opposite direction to the direction of maximum profit.
Die Bandbreite der oben beschriebenen Vierdrahtresonanz ist relativ schmal, und bereitet, insbesondere für Miniatur-Vierdrahtantennen mit einem Kern hoher Dielektrizitätskonstante, ein Fertigungsproblem bei der Einhaltung hinreichend enger Abmessungstoleranzen für die reproduzierbare Herstellung von Antennen mit dem Kardioidverhalten und der Resonanzfrequenz wie erforderlich.The Bandwidth of the four-wire resonance described above is relative narrow, and prepares, especially for miniature four-wire antennas with a core high dielectric constant, a manufacturing problem in meeting sufficiently tight dimensional tolerances for the reproducible production of antennas with the Kardioidverhalten and the resonance frequency as required.
Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vierdrahtantenne für zirkular polarisierte Strahlung bei Frequenzen über 200 MHz bereitgestellt, welche eine Mehrzahl von im wesentlichen schraubenförmigen Abstrahlbahnen aufweist, die auf einem dielektrischen Substrat angeordnet sind, wobei das Verfahren die Überwachung von mindestens einem elektrischen Parameter der Antenne und das Entfernen von leitfähigem Material von mindestens einer der Bahnen umfasst, um die Induktivität der Bahn zu erhöhen und dadurch den überwachten Parameter näher an einen vorbestimmten Wert zu bringen. So kann die zirkular polarisierte Richtcharakteristik der Antenne verbessert werden. Man kann auch Antennen in der Massenproduktion trimmen, ohne von Einzelprüfungen, beispielsweise in einer elektromagnetisch echolosen Kammer, und übermäßigen manuellen Eingriffen Gebrauch zu machen.To A first aspect of the invention is a method for Production of a four-wire antenna for circularly polarized radiation at frequencies above 200 MHz, which is a plurality of essentially helical Abstrahlbahnen arranged on a dielectric substrate are, with the procedure monitoring of at least one electrical parameter of the antenna and the Remove conductive Material from at least one of the webs comprises the inductance of the web to increase and thereby the supervised Parameters closer to bring to a predetermined value. So can the circularly polarized Directional characteristic of the antenna can be improved. One can also Trim antennas in mass production, without having to go through individual tests, for example, in an electromagnetically echolous chamber, and excessive manual Intervention.
Das bevorzugte Verfahren umfasst das Entfernen des leitfähigen Materials von den Bahnen durch Laserätzen einer Öffnung in einer oder mehreren der Bahnen, wobei die sich gegenüberliegenden Ränder der betroffenen Bahnen auf beiden Seiten jeder Öffnung intakt bleiben. Dieses Verfahren ist insbesondere anwendbar auf eine Antenne, bei der das Substrat ein im wesentlichen zylindrischer Körper aus keramischem Material mit einer Dielektrizitätszahl größer als 10 ist, die Bahnen Abschnitte auf einer Zylinderfläche des Substrats und zusätzlich auf einer ebenen Stirnfläche, die im wesentlichen senkrecht zur Zylinderachse liegt, umfassen. In diesem Fall wird das leitfähige Material von den Bahnabschnitten auf der ebenen Stirnfläche, die bei der bevorzugten Antenne nahe beim Einspeisepunkt der Antennenelemente liegt und eine Stelle eines Spannungsminimums bei Vierdrahtresonanz ist, entfernt. Bei alternativen Ausführungsformen kann/können die Öffnung(en) an Stellen anderer Spannungsminima geschnitten werden, beispielsweise dort, wo die schraubenförmigen Elemente auf einen gemeinsamen Verbindungsleiter wie eine den Kern umgebende Balunhülse treffen.The preferred methods include removing the conductive material from the tracks by laser etching an opening in one or more of the tracks, the opposite edges of the affected lanes remain intact on both sides of each opening. This Method is particularly applicable to an antenna in which the substrate a substantially cylindrical body of ceramic material with a dielectric constant greater than 10, the webs sections on a cylindrical surface of the Substrate and additionally on a flat face, which is substantially perpendicular to the cylinder axis include. In this case, the conductive becomes Material from the track sections on the flat face, the in the preferred antenna near the feed point of the antenna elements lies and a point of a voltage minimum in four-wire resonance is removed. In alternative embodiments, the opening (s) may be cut at locations other voltage minima, for example where the helical Elements on a common connection conductor as one the core surrounding balun sleeve to meet.
Der Überwachungsschritt umfasst typischerweise das Verbinden der Antenne mit einer Hochfrequenzquelle, die so eingerichtet ist, dass sie ein die Betriebsfrequenz enthaltendes Frequenzband überstreicht, und das Überwachen der relativen Phasen und Amplituden von Signalen, die von Sonden in Nebeneinanderstellung mit den Bahnen an vorbestimmten Orten, wie den vom Einspeisepunkt entfernten Endabschnitten, aufgenommen werden. Bevorzugt sind die Sonden kapazitiv mit den entsprechenden Bahnen gekoppelt, um eine individuelle Masseverbindung unnötig zu machen.The monitoring step typically involves connecting the antenna to a radio frequency source, which is arranged to have a frequency containing the operating frequency Frequency band sweeps over, and monitoring the relative phases and amplitudes of signals generated by probes in juxtaposition with the tracks at predetermined locations, as the end portions remote from the feed point become. Preferably, the probes are capacitive with the corresponding traces coupled to make an individual ground connection unnecessary.
Die in den Bahnen geformten Öffnungen sind bevorzugt rechteckig, wobei jede eine vorbestimmte Breite quer zur Bahnrichtung hat, die automatisch als Reaktion auf das Ergebnis des Überwachungsschritts berechnet wird. Dies ist insofern ein nichtlinearer Anpassungsvorgang, als die durch die Öffnung addierte Induktivität der Bahn nichtlinear mit der Öffnungsfläche, insbesondere mit der Breite der rechteckigen Öffnung, zusammenhängt. Die Berechnung der Öffnungsgröße wird so durchgeführt, dass die Phasendifferenz der Ströme und/oder Spannungen in den Bahnen des betreffenden Bahnenpaars näher an 90° und die Frequenz, bei der diese Orthogonalität auftritt, näher an die beabsichtigte Betriebsfrequenz gebracht werden.The in the tracks shaped openings are preferably rectangular, each having a predetermined width across to the train direction, which automatically in response to the result of the monitoring step is calculated. This is a non-linear adjustment process, as that added through the opening inductance the web is non-linear with the opening area, in particular with the width of the rectangular opening, is related. The Calculation of the opening size is so performed that the phase difference of the currents and / or stresses in the tracks of the respective pair of tracks closer to 90 ° and the Frequency at which this orthogonality occurs, closer to the intended operating frequency.
Nach einer zweiten Ausgestaltung umfasst die Erfindung auch eine Vierdrahtantenne für zirkular polarisierte Strahlung bei Frequenzen über 200 MHz mit mehreren im wesentlichen schraubenförmigen leitfähigen Bahnen auf einem dielektrischen Substrat, wobei wenigstens eine der Bahnen einen Ausschnitt vorbestimmter Größe zur Erhöhung der Induktivität der Bahn aufweist. Die bevorzugte Antenne hat ein Substrat mit einem aus einem festen dielektrischen Material gebildeten Antennenkern, wobei die Bahnen so angeordnet sind, dass sie ein inneres Volumen begrenzen, dessen Hauptteil vom festen Material des Kerns eingenommen wird, und wobei das Substrat gekrümmte Außenflächenabschnitte und ebene, die leitfähigen Bahnen tragende Oberflächenabschnitte aufweist, und wobei jeder Ausschnitt dort gebildet ist, wo die entsprechende Bahn über einem der ebenen Oberflächenabschnitte liegt.To In a second embodiment, the invention also includes a four-wire antenna for circularly polarized Radiation at frequencies above 200 MHz with several substantially helical conductive tracks on a dielectric substrate, wherein at least one of the tracks a section of predetermined size for increasing the inductance of the web having. The preferred antenna has a substrate with one out an antenna core formed of a solid dielectric material, wherein the webs are arranged to define an internal volume, whose main part is occupied by the solid material of the core, and wherein the substrate is curved Outer surface portions and level, the conductive Web-bearing surface sections and wherein each cutout is formed where the corresponding one Train over one of the flat surface sections lies.
Die Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denenThe Invention will now be described by way of example with reference to the drawings, in which in which
Die im Folgenden beschriebene Vierdrahtantenne ist ähnlich der in der oben genannten GB-2310543-A beschriebenen, deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen wird. Auch die Offenbarung der oben genannten verwandten GB-2292638-A wird durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen.The The four-wire antenna described below is similar to that in the aforementioned GB-2310543-A the disclosure of which is hereby incorporated by reference Description is included. Also the revelation of the above Related GB-2292638-A is incorporated by reference into this specification added.
Mit
Bezug auf
Die
vier sich längs
erstreckenden Elemente
Um
einen ungefähr
einheitlichen Strahlungswiderstand für die schraubenförmigen Elemente
Jedes
Paar aus schraubenförmigem
und entsprechendem verbindendem radialem Elementabschnitt (z. B.
Bei
linkshändiger
Richtung der Schraubenwege der sich längs erstreckenden Elemente
Wenn die Antenne stattdessen für linkshändig zirkularpolarisierte Signale verwendet werden soll, wird die Schraubenrichtung umgekehrt und das Anschlussmuster der radialen Elemente wird um etwa 90° gedreht. In dem Fall, dass die Antenne sowohl für den Empfang links- als auch rechtshändiger Signale geeignet sein soll, können die sich längs erstreckenden Elemente so angeordnet werden, dass sie Wegen folgen, die allgemein parallel zur Achse sind.If the antenna instead for left-handed circularly polarized signals is to be used, the screw direction vice versa and the connection pattern of the radial elements is about Turned 90 °. In the case that the antenna is left-handed for both the reception right-handed signals should be suitable which are longitudinal extending elements are arranged so that they follow paths, which are generally parallel to the axis.
Die
leitfähige
Hülse
Die
von der Hülse
Die Antenne hat eine Vierdraht-Hauptresonanzfrequenz für zirkularpolarisierte Strahlung im Bereich von 1575 MHz, wobei die Resonanzfrequenz durch die effektiven elektrischen Längen der Antennenelemente und in geringerem Maß durch deren Breite bestimmt ist. Die Längen der Elemente bei einer gegebenen Resonanzfrequenz hängen auch von der Dielektrizitätszahl des Kernmaterials ab, wobei die Abmessungen der Antenne im Vergleich zu einer Luftkernantenne gleichen Aufbaus wesentlich verringert sind.The Antenna has a four-wire main resonance frequency for circular-polarized Radiation in the range of 1575 MHz, wherein the resonance frequency by the effective electrical lengths the antenna elements and to a lesser extent determined by their width is. The lengths of the elements at a given resonant frequency also hang from the dielectric constant of the core material, comparing the dimensions of the antenna substantially reduced to an air core antenna of the same construction are.
Das
bevorzugte Material für
den Kern
Die
Antennenelemente
Um
eine Richtcharakteristik mit gutem Vor-Rück-Verhältnis
und annehmbarem Gewinn zu erzielen und diese Charakteristik bei
der erforderlichen Betriebsfrequenz zu erreichen, wird die oben beschriebene
und in
Ein
besseres Verständnis
der Betriebsweise der Antenne und den Einfluss der Öffnungen
erhält man
mit Bezug auf den Graphen der
Das
Diagramm
Natürlich sollte
die durch die gestrichelte Linie
Durch
Einstellen der Induktivität
einer oder mehrerer der Bahnen
Diese Konzepte können erfindungsgemäß als Basis für ein automatisiertes Antennentrimmverfahren verwendet werden, um die Abweichung der elektrischen Parameter der Antenne (wie Signalphase und Amplitude im Antennenelement) von den Optimalwerten zu vermindern oder auszuschalten. So kann man Antennen relativ billig unter Anwendung eines Herstellungsverfahrens mit geringer Anfangstoleranz ohne Rückgriff auf teure und arbeitsaufwendige Herstellungs- und Einstellungsverfahren produzieren.These concepts can be used according to the invention as a basis for an automated antenna trimming ver be used to reduce or eliminate the deviation of the electrical parameters of the antenna (such as signal phase and amplitude in the antenna element) from the optimum values. Thus, one can produce antennas relatively cheaply using a low initial tolerance manufacturing process without resorting to costly and laborious manufacturing and adjustment procedures.
Eine
Versuchsanordnung zur Ausführung der
Phasen- und Amplitudenmessungen wird nun mit Bezug auf die
Mit
Bezug auf
Man
bemerkt, dass sich in
Während des
Prüfvorgangs
werden alle vier Sonden
Tatsächlich berechnet die Prüfeinheit eine Überschneidungsfrequenz, welche die engste Annäherung der vier Amplitudenkurven darstellt, markiert die entsprechende Frequenz, liest die vier Phasenwerte bei dieser Frequenz zur Berechnung der Phasendifferenz und berechnet dann für jede Bahn die erforderliche zusätzliche Induktivität für die Verschiebung der Überschneidungsfrequenz zur geforderten Frequenz (in diesem Fall die GPS-Frequenz von 1575,5 MHz) mit der richtigen Phasenorthogonalität. Dies wird durch Berechnung eines LC-Produkts (Induktivität × Kapazität) für jede Bahn ausgeführt.Actually calculated the test unit a crossover frequency, which is the closest approach which represents four amplitude curves, marks the corresponding one Frequency, reads the four phase values at this frequency for calculation the phase difference and then calculates the required for each lane additional inductance for the Shifting the crossover frequency to the required frequency (in this case the GPS frequency of 1575,5 MHz) with the correct phase orthogonality. This is done by calculation of an LC product (inductance × capacitance) for each lane executed.
Dann wird die erforderliche Öffnungsgröße berechnet und der Laser wird für das Brennen der Öffnung(en) gesteuert.Then the required opening size is calculated and the laser is for the burning of the opening (s) controlled.
Dann
kann die Antenne automatisch aus der in
Damit die Sonden die Antenneneigenschaften während der oben beschriebenen Prüfung nicht wesentlich beeinträchtigen, ist bevorzugt, dass die Dielektrizitätszahl des Antennenkerns mindestens 10, vorzugsweise 35 oder mehr, beträgt.In order to the probes the antenna characteristics during the above described exam do not significantly affect it is preferred that the dielectric constant of the antenna core is at least 10, preferably 35 or more.
Die kapazitiven Sonden nehmen Signale auf, welche das extreme Nahfeld darstellen, und können daher Signale liefern, die den Strömen in den einzelnen Bahnen entsprechen. Dies ermöglicht die Ableitung der Fernfeldcharakteristik gemäß den oben beschriebenen Phasenbeziehungen.The capacitive probes pick up signals representing the extreme near field represent, and therefore can Deliver signals to the currents in the individual tracks. This allows the derivative of the far field characteristic according to the above described phase relationships.
Die Entfernung von Material wird bevorzugt mit einem gepulsten YAG-Laser ausgeführt, welcher das Abtragen von Metall im Wesentlichen ohne Schmelzen erlaubt, sodass die Abmessungen genau steuerbar sind.The Removal of material is preferred with a pulsed YAG laser executed which allows the removal of metal substantially without melting, so that the dimensions are precisely controllable.
Man
kann die Öffnungen
in den Bahnen an anderen Positio nen, wie in den proximalen Endabschnitten
der Bahnabschnitte
Während die Erfindung bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung einer Vierdrahtantenne beschrieben wurde, wird man verstehen, dass das Verfahren auch auf andere dielektrisch belastete Antennen, (d. h. Antennen mit Leitern, die schmal im Vergleich zu den Abständen zwischen ihnen sind) angewendet werden kann.While the Invention concerning of a method for manufacturing a four-wire antenna was, one will understand that the procedure also on other dielectric loaded antennas, (i.e., antennas with conductors that are narrow in comparison to the distances can be applied between them).
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